消化池结构分析与应用研究

论文摘要

消化池是污水处理厂中的关键构筑物,属体型高、重量大、构造及受力情况复杂的特种结构,本文的目的在于对其进行深入的分析和研究以指导实践。本文以实际工程为背景,建立了包括上部结构、桩基与土在内的整体数学模型,利用现有大型有限元分析软件-ANSYS,对柱形消化池和卵形消化池进行静、动力分析。给出了与工程实际相匹配的静动力参数;分析中考虑了桩土—结构相互作用;在理论上进行了深入研究,得出了可靠的分析结果。主要创新工作与成果包括以下几个方面:1、本文以实际工程为背景,利用现有大型通用有限元分析软件对消化池进行静、动力分析,得出可靠的分析结果,为实际工程设计提出一些建议,从而为消化池设计提供可靠的计算和分析依据。2、本文在为消化池配置预应力钢筋时,采用等效荷载法把每束预应力钢筋等效到该束钢筋作用的范围内,然后施加于消化池的池壁,推导出了等效荷载的公式,从而得到了比较合理的池壁控制内力。3、在建立卵形消化池计算模型时,首次提出将均匀变化的池壁厚度模拟成沿高度变化的二次曲线,有效提高了模型的精确度。在建立相互作用模型时,将整个下部区域划分为桩土区、近土区和地基无限域远土区。将桩土区模拟为正交各向异性体等效单元;用轴向弹簧-阻尼器单元模拟了粘弹性人工边界。首次将相互作用理论用于卵形消化池分析。4、本文采用的三维直接有限元建模的方式,更好地体现了平移和扭转的耦合反应。首次将分枝模态-二步分析法应用于桩土-消化池动力相互作用分析的实用研究:不是简单地由结构的粗划分过渡到要进行研究的细划分,而是直接模拟实际结构建立简化模型,并能满足实际工程需要的精度。5、本文还提供了利用ANSYS进行消化池静动力分析的命令流,方便设计人员参考使用。文中采用的桩土-消化池相互作用体系动力计算方法,对其他建筑结构的抗震分析也具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 消化池概述
• 1.2 柱形消化池研究进展
• 1.2.1 柱形消化池预应力张拉工艺
• 1.2.2 国内柱形消化池应用进展
• 1.2.3 柱形消化池研究现状
• 1.3 卵形消化池研究进展
• 1.3.1 国内外卵形消化池应用进展
• 1.3.2 国内外卵形消化池研究现状
• 1.4 土－结构相互作用研究进展
• 1.4.1 发展历程
• 1.4.2 研究的必要性
• 1.4.3 分析模型
• 1.4.4 研究方法
• 1.5 本文的主要研究工作
• 1.6 本章小结
• 第二章 旋转壳的无矩理论和有矩理论
• 2.1 旋转壳的无矩理论
• 2.1.1 旋转壳无矩理论的平衡方程
• 2.1.2 旋转壳的变形分析（几何方程）
• 2.1.3 旋转壳的虎克定律（物理方程）
• 2.1.4 卵形消化池的无矩理论
• 2.1.5 圆柱形消化池的无矩理论
• 2.2 承受轴对称荷载作用旋转壳的有矩理论
• 2.3 本章小结
• 第三章 弹塑性分析本构模型及动力方程的求解方法
• 3.1 引言
• 3.2 弹塑性理论
• 3.2.1 屈服准则
• 3.2.2 硬化准则
• 3.2.3 流动准则
• 3.2.4 本构方程
• 3.3 土体弹塑性本构模型
• 3.4 结构弹塑性本构模型
• 3.5 有限元分析步骤及动力方程的求解
• 3.5.1 有限元法及分析步骤
• 3.5.2 等参数单元
• 3.5.3 线性动力方程求解方法
• 3.5.4 非线性动力方程组求解方法
• 3.6 结构自振特性计算
• 3.7 动力分析常用的阻尼理论
• 3.8 地震波的选取与调整
• 3.9 本章小结
• 第四章 分枝模态二步分析法实用性研究及桩土－消化池相互作用体系模型的建立
• 4.1 引言
• 4.2 分枝模态法简介
• 4.3 分枝模态二步法的基本思想
• 4.3.1 分枝d 主模态的确定
• 4.3.2 分枝u 主模态的确定
• 4.3.3 模态综合
• 4.3.4 二步分析法
• 4.4 桩土－消化池动力相互作用实用分析方法
• 4.4.1 本文的二步分析法实用性研究
• 4.4.2 分析方法的具体实施
• 4.4.3 分析中考虑的影响因素与基本假定
• 4.5 桩土－消化池相互作用体系模型
• 4.5.1 适用于二步分析法的消化池简化模型
• 4.5.2 桩土区简化物理模型
• 4.5.3 地基模型
• 4.6 本章小结
• 第五章 桩土－消化池相互作用计算模型、刚性地基上的计算模型及其在 ANSYS 中的实现
• 5.1 ANSYS 简介
• 5.2 工程概况
• 5.2.1 卵形消化池工程概况
• 5.2.2 柱形消化池工程概况
• 5.3 本文的计算模型
• 5.4 计算模型在ANSYS 中的实现
• 5.4.1 适用于消化池的单元类型
• 5.4.2 变厚度壳体的实现
• 5.4.3 材料特性定义
• 5.4.4 关于网格划分
• 5.4.5 位移协调的保证
• 5.5 地震激励施加方法
• 5.6 求解控制和结果后处理
• 5.7 ANSYS 参数化设计语言APDL 在本文中的应用
• 5.8 ANSYS 在土－结构动力相互作用分析中的应用要点
• 5.9 本章小结
• 第六章 消化池的静力分析
• 6.1 无粘结预应力技术
• 6.2 卵形消化池的静力分析
• 6.2.1 工程材料参数
• 6.2.2 荷载取值及工况组合
• 6.2.3 卵形消化池在荷载标准值作用下内力分析
• 6.2.4 卵形消化池预应力钢筋设计
• 6.2.5 钢筋预应力等效荷载
• 6.2.6 卵形消化池在设计值作用下的受力分析
• 6.3 柱形消化池的静力分析
• 6.3.1 工程材料参数与荷载取值
• 6.3.2 柱形消化池在荷载标准值作用下的内力分析
• 6.3.3 预应力钢筋的配置及等效荷载的转化
• 6.3.4 柱形消化池在设计值作用下的受力分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 消化池的动力分析
• 7.1 引言
• 7.2 消化池的动力特性
• 7.3 消化池简化模型有效性验证
• 7.4 卵形消化池的动力分析
• 7.4.1 工程材料参数
• 7.4.2 多遇地震作用下卵形消化池弹性地震反应时程分析
• 7.4.3 罕遇地震作用下卵形消化池弹塑性地震反应时程分析
• 7.5 柱形消化池的动力分析
• 7.5.1 用于动力分析的工程材料参数
• 7.5.2 柱形消化池地震反应时程分析
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 本文主要结论
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 博士在读期间发表的论文
• 博士在读期间参加的科研项目
• 致谢